Aby sprostać zapotrzebowaniu na-wydajną i{1}}precyzyjną obróbkę profili przekładni ślimakowych C-EPS, w tym badaniu systematycznie badane są kluczowe aspekty techniczne,-takie jak wybór procesu, optymalizacja frezowania i kontrola szlifowania-w celu określenia optymalnego schematu przetwarzania. Proponuje się ulepszenia w kilku obszarach: dobór sprzętu, metody mocowania, parametry narzędzi skrawających, systemy chłodzenia i parametry procesu. Konkretne rozwiązania obejmują zwiększenie sztywności-precyzyjnych maszyn wirujących CNC, optymalizację wydajności poprzez hydrauliczne mocowanie i automatyczny załadunek/rozładunek, projektowanie parametrów dla ultra-narzędzi z węglika powlekanego oraz kontrolowanie-ciśnienia powietrza-mgły chłodzącej i procesów szlifowania profili. Zoptymalizowany proces zapewnia stabilną dokładność profilu ślimaka na poziomie IT7, znacznie poprawia jakość powierzchni i wydajność obróbki oraz znacznie obniża koszty produkcji.
1
Wstęp
Kolumnowe-elektryczne układy wspomagania kierownicy (C-EPS) są szeroko stosowane w pojazdach osobowych od klasy A0 do klasy B ze względu na ich zwartą konstrukcję i przystępne koszty. Ślimak ewolwentowy (patrz rysunek 1) służy jako rdzeń-przenoszący moment obrotowy w C-EPS; jeśli błąd profilu zęba przekracza 0,01 mm, prawdopodobnie wystąpią problemy, takie jak opóźnienie sterowania lub nietypowy hałas [1]. W związku z tym proces obróbki wymaga ścisłej precyzji klasy IT7, a jednocześnie spełnia wymagania wydajnościowe produkcji masowej.
Obraz
Rysunek 1: Robak ewolwentowy
Obecne procesy obróbki ślimakowej stoją przed trzema głównymi wyzwaniami: ① Tradycyjne procesy toczenia i szlifowania charakteryzują się niską wydajnością, a wydajność na jedną-zmianę spada poniżej 500 jednostek. ② Procesy obtaczania i walcowania dają słabą spójność profilu; Dokładność zależy w dużej mierze od precyzji obwiedni, a wahania błędu sięgają ± 0,02 mm w miarę zużycia narzędzia. ③ Konwencjonalne procesy frezowania nie spełniają wymagań dotyczących jakości powierzchni, w wyniku czego chropowatość powierzchni (Ra) wynosi 1,6 μm lub więcej. Opracowanie technologii obróbki ślimakowej C-EPS, która równoważy wysoką precyzję z wysoką wydajnością, ma istotne znaczenie praktyczne dla zwiększenia konkurencyjności rynkowej produktów C-EPS.
2
Obecny stan badań (krajowych i międzynarodowych)
Na arenie międzynarodowej wysiłki mające na celu poprawę precyzji obróbki ślimakowej często opierają się na-wysokiej jakości sprzęcie-takim jak szlifierka ślimakowa CNC opracowana przez niemiecką firmę KAPP. Wykorzystując technologię kompensacji błędu termicznego, urządzenie to kontroluje skumulowany błąd linii śrubowej z dokładnością do 0,005 mm; jednakże koszt jednostkowy przekracza 8 milionów RMB, co stwarza niezwykle wysoką barierę wejścia. Badania krajowe skupiały się przede wszystkim na optymalizacji procesów; podczas gdy niektórzy producenci samochodów wykorzystują proces-plus-walcowania do masowej produkcji ślimaków, dokładność obróbki osiąga jedynie klasę IT8, co nie spełnia wymagań dla-najwyższych modeli pojazdów.
W ramach istniejących badań nie udało się jeszcze opracować zintegrowanego rozwiązania w zakresie obróbki, które łączyłoby-wydajną obróbkę zgrubną z-precyzyjną obróbką wykańczającą. W oparciu o połączony proces wirowania i szlifowania kształtowego w tym artykule skonstruowano kompleksowy system optymalizacji-obejmujący sprzęt, narzędzia skrawające i parametry procesu-w celu wypełnienia luki w-wydajnej i-precyzyjnej technologii obróbki ślimaków C-EPS.
3
Wybór procesu obróbki profilu zęba ślimakowego
3.1 Porównanie schematów procesów
Przeprowadzono ilościowe porównanie trzech głównych procesów obróbki profili ślimakowych: toczenie ze szlifowaniem, obwiedniowanie z walcowaniem i frezowanie (wirowanie) ze szlifowaniem. W ramach porównania oceniano podstawowe wskaźniki,-takie jak chropowatość powierzchni, stopień dokładności i spójność profilu zęba-, a także wskaźniki produkcyjne, takie jak wydajność obróbki i czas przezbrajania. Tabela 1 porównuje podstawowe wskaźniki różnych procesów, natomiast Tabela 2 porównuje ich efektywność.
Tabela 1 Porównanie głównych wskaźników dla różnych procesów
[Obraz]
Uwaga: dane pochodzą z rzeczywistych pomiarów na linii produkcyjnej producenta samochodów; wielkość próbki n=500.
Tabela 2 Porównanie wydajności różnych procesów
[Obraz]
Uwaga: wydajność jednozmianowa- opiera się na pomiarach ślimaka φ30 mm × 120 mm; sprzęt ma konfigurację z jednym-wrzecionem.
3.2 Określenie procesu optymalnego
Jak pokazano w tabelach 1 i 2, proces frezowania-plus-szlifowania (wirowanie do obróbki zgrubnej/pół-wykańczającej, a następnie szlifowanie wykańczające) znacznie przewyższa inne schematy zarówno pod względem wskaźników obróbki rdzenia, jak i wydajności produkcji. Ponadto eliminuje potrzebę stosowania dedykowanego procesu obróbki obwiedniowej, redukując koszty obróbki o około 40%. W związku z tym w niniejszym artykule skupiono się na tym procesie w celu przeprowadzenia dalszych-szczegółowych badań.
4
Optymalizacja frezowania ślimakowego
Frezowanie służy robakowi jako etap-obróbki zgrubnej i półwykańczającej; jego dokładność i wydajność obróbki bezpośrednio określa jakość referencyjną i czas cyklu produkcyjnego dla późniejszego procesu szlifowania wykańczającego. W tym badaniu przeprowadzono projekt optymalizacji w pięciu aspektach: doborze sprzętu, metodach mocowania, parametrach narzędzi skrawających, systemach chłodzenia i parametrach procesu.. 4.1 Wybór sprzętu i zwiększenie sztywności
(1) Wybór-precyzyjnej wirówki CNC: aby spełnić wymagania dokładności IT7, wybrano wirówkę CNC wyposażoną w-precyzyjne systemy posuwu i wrzeciona. Kluczowe dane techniczne są następujące:
1) System podawania: Rozdzielczość mniejsza lub równa 0,0001 mm; dokładność pozycjonowania przy pełnym-skoku ±0,002 mm.
2) Układ wrzeciona: Bicie promieniowe mniejsze lub równe 0,001 mm; bicie osiowe mniejsze lub równe 0,0005 mm; stabilność prędkości obrotowej ±5 obr/min.
Dane eksperymentalne wskazują, że gdy dokładność pozycjonowania obrabiarki poprawiła się z ±0,01 mm do ±0,002 mm, skumulowany błąd spirali ślimaka zmniejszył się z 0,025 mm do 0,008 mm, co oznacza bezpośrednią poprawę precyzji obróbki o dwa stopnie.
(2) Strategia zwiększania sztywności obrabiarki: Niewystarczająca sztywność obrabiarki ma tendencję do wywoływania drgań skrawania, powodując wzrost błędów śledzenia zębów ślimaka o ponad 30%. Sztywność obrabiarki można zwiększyć za pomocą dwóch następujących środków:
1) Kotwienie w fundamencie: Podstawa obrabiarki o grubości większej lub równej 500 mm jest odlewana z betonu C30 i sztywno połączona z podłogą za pomocą śrub rozporowych M30; poziomość podłoża utrzymuje się w granicach 0,02 mm/m.
2) Optymalizacja konstrukcji: na połączeniu między podpórką narzędzia a łożem maszyny zastosowano klinowy mechanizm blokujący, zwiększający powierzchnię styku o 40% i podnoszący sztywność statyczną obrabiarki do 250 N/μm.
4.2 Optymalizacja metod mocowania i załadunku/rozładunku
(1) Precyzyjna kontrola mocowania hydraulicznego: Tradycyjne ręczne mocowanie powoduje błędy pozycjonowania osiowego do ±0,1 mm, powodując znaczne wahania dokładności pozycjonowania osiowego profilu zęba ślimaka. Dzięki zastosowaniu hydraulicznego uchwytu samocentrującego-o sile mocowania 5–8 kN-w połączeniu z punktem odniesienia-czoła pozycjonującego i osiowym pierścieniem oporowym-błąd pozycjonowania mocowania jest kontrolowany w zakresie ±0,03 mm. Zwiększa to trzykrotnie dokładność pozycjonowania osiowego ślimaka, zapewniając stabilny punkt odniesienia obróbki dla kolejnych procesów-szlifowania wykańczającego. (2) Poprawa wydajności poprzez zautomatyzowany załadunek i rozładunek: Zastosowano robota kratownicowego, który zastąpił pracę fizyczną przy zautomatyzowanym załadunku i rozładunku wałów ślimakowych [2]. Czas mocowania został skrócony z 20 s/sztukę do 5 s/sztukę, wykorzystanie sprzętu wzrosło z 65% do 90%, a wydajność jednozmianowa wzrosła o ponad 300 sztuk.
4.3 Projektowanie parametrów narzędzia skrawającego i kontrola zużycia
Jako surowiec na wał ślimakowy C-EPS wybrano wysokiej jakości stal stopową, która po hartowaniu i odpuszczaniu uzyskała twardość 28–32 HRC [3]. W oparciu o charakterystykę materiału proces projektowania uwzględniał wybór materiału narzędzia, optymalizację parametrów geometrycznych i kontrolę zużycia podczas instalacji.
(1) Wybór materiału narzędzia: Porównanie wydajności skrawania stali-szybkiej (W18Cr4V), standardowego węglika spiekanego (WC-Co) i ultradrobno-węglika powlekanego (seria YBG) [4] przedstawiono w tabeli 3. Ostatecznie na podłoże narzędzia wybrano ultradrobnoziarnisty-węglik powlekany YBG.
Tabela 3 Porównanie wydajności skrawania dla różnych materiałów narzędziowych
[Obraz]
Uwaga: Warunki skrawania obejmowały posuw 0,15 mm/obr. i głębokość skrawania 1,2 mm.
Narzędzie składa się z podłoża WC-Co z dodatkiem niobu (Nb) i nanopowłoki-TiAlN o grubości 3–5 μm. Twardość powłoki osiąga 3200 HV, a twardość na gorąco pozostaje stabilna do 800 stopni, spełniając wymagania procesu dotyczące-skrawania z dużą prędkością.
(2) Optymalizacja parametrów geometrycznych narzędzia: w oparciu o charakterystykę profilu zęba ewolwentowego wału ślimakowego,
zaprojektowano specjalistyczne parametry geometryczne dla frezu zgrubnego (frez kształtowy typu ZA-) i frezu wykańczającego (frez kształtowy typu ZI-) (patrz tabela 4), równoważące siły skrawania, wytrzymałość krawędzi skrawającej i jakość obrabianej powierzchni.
Tabela 4. Projektowanie parametrów geometrycznych narzędzi specjalistycznych
[Obraz]
(3) Instalacja narzędzia i monitorowanie zużycia: Instalacja narzędzia i monitorowanie zużycia muszą spełniać następujące wymagania techniczne. 1) Konfiguracja głowicy tnącej: stosowana jest precyzyjna głowica tnąca o klasie wyważenia dynamicznego G2,5. Jak pokazano na rysunku 2, głowica frezowa ma sześć położeń montażowych rozmieszczonych naprzemiennie pomiędzy trzema frezami zgrubnymi-i trzema frezami-wykańczającymi. Frezy zgrubne-wychodzą o 0,12–0,20 mm dalej niż frezy-wykańczające, umożliwiając wykonanie zarówno obróbki zgrubnej, jak i półwykończeniowej w jednym przejściu.
Obraz
Rysunek 2: Schemat montażu głowicy tnącej
2) Dopasowanie kąta pochylenia linii śrubowej: Głowica tnąca jest przechylana i obracana w celu zrównania kąta pochylenia ostrza z kątem natarcia ślimaka ( ). Wzór na obliczenie kąta natarcia jest następujący:
tan=Pz / (πd1) (1)
Gdzie to kąt przystawienia (stopnie), Pz to skok osiowy (mm), a d to średnica koła podziałowego (mm).
3) Monitorowanie zużycia: przyrząd do kontroli ślimakowej służy do monitorowania błędów profilu zęba w czasie rzeczywistym-. Noże wymienia się niezwłocznie, gdy zużycie osiągnie 0,005 mm; po przeszlifowaniu płytki można ponownie wykorzystać trzy lub cztery razy.
4.4 Optymalizacja układu chłodzenia i parametrów procesu
(1) Konstrukcja z chłodzeniem mgłą-powietrzem- pod wysokim ciśnieniem: prędkość skrawania w przypadku frezowania wirowego osiąga 260–360 m/min, a temperatura w strefie skrawania wzrasta do 600–800 stopni. Stosowany jest system chłodzenia mgłą powietrzną-pod wysokim ciśnieniem-[5] pracujący pod ciśnieniem 0,80–1,38 MPa. Czynnik chłodzący składa się z mieszaniny 5% emulsji-o ekstremalnym ciśnieniu i sprężonego powietrza, dostarczanej przez cztery symetrycznie rozmieszczone dysze-w kształcie wachlarza (o średnicy 1,5 mm) w celu bezpośredniego przepłukania strefy cięcia. System ten poprawia wydajność chłodzenia o 60% w porównaniu z tradycyjnym chłodzeniem zalewowym i zmniejsza ilość pozostałości wiórów do poniżej 0,5%.
(2) Optymalizacja parametrów frezowania: Metoda testu ortogonalnego służy do określenia optymalnej kombinacji parametrów procesu dla frezowania ślimakowego, równoważąc wydajność obróbki z jakością obróbki. 1) Głębokość skrawania: Całkowita głębokość skrawania dla frezowania kół zębatych jest obliczana na podstawie pełnej wysokości zęba, *h*:
*h*=[(d1 + 2mx) - (d1 - 2.4mx)] / 2 (2)
Gdzie *h* to pełna wysokość zęba (mm), reprezentująca całkowitą głębokość skrawania; *d1* to średnica koła podziałowego koła zębatego (mm); *m* to moduł osiowy (mm); współczynnik 2 w „2m” odpowiada współczynnikowi dodatku (standardowy dodatek wynosi 1*m*, więc obie strony łącznie wynoszą 2*m**x*); a 2,4 to współczynnik powiązany z dedendum- (standardowe dedendum wynosi 1,2*m*, więc obie strony łącznie wynoszą 2,4*m*).
2) Posuw: Posuw wynosi 0,13–0,20 mm/obr., jest dostosowywany dynamicznie w zależności od twardości materiału.
3) Prędkość obrotowa: Prędkość obrotowa wrzeciona przedmiotu obrabianego wynosi 12–18 obr/min, a głowicy frezowej 6000–8000 obr/min (prędkość liniowa skrawania 300–400 m/min).
4) Naddatek na szlifowanie wykańczające: Naddatek wynosi 0,5–0,7 mm, równoważąc wydajność szlifowania z dokładnością obróbki końcowej.
Przy zastosowaniu powyższych parametrów czas cyklu produkcyjnego pojedynczej wirówki sięga 90–105 sztuk/h; chropowatość powierzchni (Ra) ślimaka po frezowaniu wynosi 0,8–1,2 µm, a błąd profilu zęba ±0,004 mm [6].
5
Sterowanie szlifowaniem profilu zęba ślimaka
Szlifowanie to proces wykańczający ślimaka C-EPS, który bezpośrednio określa końcową dokładność obróbki. W badaniu tym wdrożono kontrolę procesu dotyczącą sprzętu szlifierskiego/doboru ściernicy oraz parametrów szlifowania/kontroli chłodzenia, aby zapewnić, że dokładność ślimaka stale odpowiada klasie IT7.
5.1 Dobór sprzętu szlifierskiego i ściernic
Wybrano szlifierkę ślimakową CNC z funkcją automatycznego-ustawienia zębów; dokładność pozycjonowania maszyny wynosi ±0,001 mm. Stosuje się metodę szlifowania kształtowego [7], wykorzystując obciągacz CNC do obciągania ściernicy w ewolwentowy kształt pasujący do ślimaka, zapewniając w ten sposób spójność obróbki profilu zęba. Wybrano ściernicę z białego topionego tlenku glinu (WA), charakteryzującą się twardością H5, wielkością ziarna F80 i spoiwem żywicznym (zapewniającym doskonałą odporność na uderzenia); średnica koła wynosi 405 mm, a robocza prędkość liniowa 45 m/s. Tarcze z białego stopionego tlenku glinu mają dobre-właściwości samoostrzące i skutecznie minimalizują wytwarzanie ciepła podczas szlifowania,-wytwarzając mniej ciepła niż tarcze z węglika krzemu-, zapobiegając w ten sposób oparzeniom obrabianego przedmiotu podczas szlifowania.
5.2 Parametry mielenia i kontrola chłodzenia
(1) Parametry procesu szlifowania: Na podstawie danych referencyjnych ustalonych po frezowaniu ślimakowym oraz końcowych wymagań dotyczących dokładności, określono optymalne parametry szlifowania w następujący sposób:
1) Prędkość obrotowa: Prędkość wrzeciona przedmiotu obrabianego wynosi 5–8 obr/min; prędkość ściernicy wynosi 1800–2000 obr/min (prędkość liniowa ściernicy 2289–2543 m/min).
2) Szybkość posuwu: Posuw przy szlifowaniu zgrubnym wynosi 180–200 mm/min; posuw szlifowania wykańczającego wynosi 50–80 mm/min.
3) Cykl obciągania ściernicy: Ściernica jest obciągana co 5–8 ślimaków, aby zapewnić dokładność profilu ściernicy.
(2) Kontrola chłodzenia szlifowania: Jako czynnik chłodzący stosuje się olej do obróbki skrawaniem-o ekstremalnym ciśnieniu o lepkości 20–30 mm²/s w temperaturze 40 stopni. Wymuszone chłodzenie osiąga się za pomocą pompy-wysokociśnieniowej o ciśnieniu 2 MPa i natężeniu przepływu większym lub równym 50 l/min [7]. Zapewnia to odpowiednie chłodzenie strefy szlifowania oraz skutecznie usuwa wióry szlifierskie, zapobiegając zatykaniu się ziaren ściernych, które mogłoby obniżyć jakość obróbki.
5.3 Weryfikacja wyników szlifowania
Kontrola przy użyciu{{0}precyzyjnego testera ślimakowego potwierdza, że ślimaki obrobione przy użyciu zoptymalizowanego-procesu szlifowania kształtu osiągają stabilną dokładność profilu zęba klasy IT7, chropowatość powierzchni (Ra) wynoszącą 0,2–0,4 μm i błąd wyrównania zębów mniejszy lub równy 0,008 mm. Czas cyklu produkcyjnego wynosi 60–72 szt./godz., co odpowiada wymaganiom procesowym dla masowej produkcji ślimaków C-EPS. Profil obciągania i zachowanie profilu ściernicy to krytyczne punkty kontrolne w procesie szlifowania; wszelkie odchylenia w profilu koła prowadzą bezpośrednio do nadmiernych błędów w prowadzeniu ślimaka i profilu zębów. Dlatego też obróbka i kontrola kół muszą być ściśle wykonywane zgodnie z wymogami procesu.
6
Wniosek
W tym artykule przedstawiono wysoko-wydajny i-precyzyjny system technologii produkcji robaków C-EPS poprzez optymalizację procesów i parametrów wielo-wymiarowych, co pozwoliło uzyskać następujące kluczowe wyniki badań:
1) Stwierdzono, że połączenie wirowania (do obróbki zgrubnej/pół-wykańczającej) i szlifowania kształtowego (do wykończenia) jest optymalnym procesem produkcyjnym ślimaków C-EPS. W porównaniu z tradycyjnymi metodami toczenia i szlifowania podejście to zwiększa wydajność 10–13 razy, pozwala uzyskać dokładność obróbki na poziomie IT7 i zmniejsza koszty produkcji o około 40%.
2) Zaproponowano schemat zwiększenia sztywności i strategię mocowania hydraulicznego dla-precyzyjnych maszyn wirujących CNC; zabiegi te zwiększyły sztywność statyczną obrabiarki do 250 N/μm i zmniejszyły błąd pozycjonowania mocowania z ±0,1 mm do ±0,03 mm.
3) Opracowano narzędzia YBG z ultra-drobno powlekanego węglika (odpowiednie dla ślimaków ze stali stopowej) i wysoko-ciśnieniowy (0,80–1,38 MPa) system chłodzenia-mgłą powietrza, umożliwiający-cięcie z dużą prędkością przy 300–400 m/min i osiągnięcie chropowatości powierzchni-po frezowaniu Ra mniejszej lub równej 0,8 μm.
4) Zoptymalizowano parametry procesu szlifowania kształtowego, ustalając częstotliwość obciągania ściernic wynoszącą 5–8 części. Chropowatość powierzchni-po szlifowaniu została zmniejszona do Ra 0,2–0,4 μm, a błąd ołowiu utrzymywał się na poziomie mniejszym lub równym 0,008 mm, spełniając wymagania dotyczące dokładności i stabilności obowiązujące w produkcji masowej.
Przyszłe badania mogłyby zintegrować technologie sztucznej inteligencji w celu realizacji inteligentnej produkcji robaków C-EPS: wykorzystanie systemów wizyjnych do monitorowania zużycia narzędzi w czasie rzeczywistym- oraz modeli głębokiego uczenia się w celu dynamicznego dostosowywania parametrów skrawania; oraz opracowywanie algorytmów kompensacji błędów termicznych dla obrabiarek w celu dalszej poprawy dokładności szlifowania ślimakowego do klasy IT6. Udoskonalenia te zapewnią wsparcie techniczne dla badań i rozwoju oraz produkcji-najwyższej klasy produktów C-EPS i poszerzą ich zastosowania rynkowe.
